高速龙门铣床五轴联动的结构设计.pdf

第 15卷第 3期 2010年 6月 新 余 高 专 学 报 JOURNAL OF X I NYU COLLEGE Vo l 15 NO 3 Jun 2010 90 高速龙门铣床五轴联动的结构设计 p 周晓平 朱双霞 新余学院 机电工程系 江西 新余 338004 摘 要 对现在机床的五轴联动结构进行了结构分析 对比 设计出了高速龙门铣床五轴联动的结构 五轴联动结构设 计中又主要对五轴联动铣头 行业中称 五轴头0 进行了设计 结构中采用了精密齿轮啮合与双导程蜗轮蜗杆驱动 既 保证了结构紧凑 精度也较高 关键词 五轴联动 结构设计 五轴联动铣头 双导程蜗轮蜗杆 中图分类号 TG659 文献标识码 A 文章编号 1008 6765 2010 03 0090 03 收稿日期 2010 03 15 课题及第一作者简介 本文为校级课题 五轴联动高速龙门铣床结构设计的研究 项目编号 xj0821 0系列研究成果之一 周 晓平 1979 男 江西新余人 讲师 1 前言 数控机床是当代制造业的主流装备 是市场的热门商品 我国数控机床经历 30多年来的发展 现已颇具规模 机床已 涉及超重型机床 高精度机床 特种加工机床 锻压设备 前沿 高技术机床等领域 但与机床高度发达的国家相比 我国机 床的总体制作水平还是存在着一定的差距 相当明显的是 在 我国 对于四轴联动以上的机床 大部分来自国外 再加上西 方国家对我国在这方面的技术封锁 在一定程度上影响了我 国数控机床的发展 笔者在借鉴大量国内外机床资料的基础上 根据一特定 方案设计出虚拟样机 五轴联动高速数控龙门铣床 本文 是就其中五轴联动的结构设计进行阐述 2 五轴联动现状及其分析 大多数高级的数控铣床的数控装置都可控六根基本轴 即 X Y Z三根运动轴和绕 X Y Z 三根运动轴旋转的 A B C三根回转轴 五轴联动指的是在六根基本轴中 机床数 控装置能控制其中五根轴同时达到空间某一点 通俗的讲就 是指其中五根轴能同时对某一点进行运动加工 根据机床实 际情况 五轴联动通常是在 X Y Z三根运动轴基础上增加由 A B C三个回转轴中任意两个回转轴所组合的运动 2个回 转轴可以都配置在刀具切削头部位 通常称摆动轴 或工件 安装部位 通常称旋转工作台 也可在这两个部位上分别配 置 1个回转轴 根据这些配置方式可以组合出的有效布局方 案共有 2C2 3 P 2 3 12种 1 双旋转工作台的高速五轴机床 它应用比较多的是 铣镗类机床 这种机床也有多个类型和品种 较简单的是在 数控镗铣床的工作台上附加 A B轴转台 配上相应的数控系 统 实现 X Y Z三个直线运动和 A B轴两个旋转运动并可 联动 这种配置由于接合层次多 刚性差些 因此有专门将 A B转轴的支座与工作台或床身做成一体的 由于受安装工 件的转台的尺寸和重量的制约 这种机床仅适用于加工中小 型工件 1 2 在刀具切削头部位和工件安装部位 都配置 1个回 转轴 这种五轴联动机床由于转台可以是 A 轴 B轴或 C轴 摆头也是一样 可以分别是 A轴 B轴或 C轴 所以转台加上 摆头式结构的五轴联动机床可以有各种不同的组合 以适应 不同的加工对象 如加工汽轮发电机的叶片 需要 A 轴加上 B 轴 其中 A 轴需要用尾座顶尖配合顶住工件 如果工件较长 同时直径又细 则需要两头夹住并且拉伸工件来进行加工 当 然这里一个必要条件是两个转台必须严格同步旋转 2 这种型式配置的机床把旋转轴分别放置于切削头部位和 工作台安装部位 与使用双旋转工作台的机床相比较 优点 是刚性高 工作台的承载能力强 双旋转工作台为一个串联 机构 而且空间上受到限制 无法设计得足够健壮 导致整 体刚性不足 若将旋转轴分开在主轴头和工作台两个部位 那么结构刚性的问题便得到很好的解决 工作台的工作台面 积与承载能力也远大于传统的双旋转工作台 3 3 双摆头式结构的五轴联动机床 由于结构本身的原 因 摆头中间一般有一个带有松拉刀结构的电主轴 所以双摆 头自身的尺寸不容易做小 一般在 400 500mm左右 加上双 摆头活动范围的需要 所以双摆头结构的五轴联动机床的加 工范围不宜太小 而是越大越好 一般为龙门式或动梁龙门 式 龙门的宽度在 2000 3000mm以上为好 本机床是高速 龙门铣床 所以采用此种双摆头式的五轴联动结构 3 高速龙门铣床五轴联动结构 3 1方案的确定 根据对机床五轴联动现有结构的分析 本机床总体结构 采用定梁式龙门铣床结构 工作台在线性滚珠导轨上作 X 向 运动 Z轴滑枕上配置五轴联动铣头 Y 轴采用双线性滚珠 导轨安装呈垂直分布状态 Z轴采用大规格线性滚珠导轨与 双平衡液压缸装置 三轴均采用伺服电机与滚珠丝杠螺母副 通过联轴器直接的形式 该结构的核心是采用了五轴联动铣头 目前 在五轴联动 铣头领域中 西方国家中有意大利意萨 ISA 公司和德国西 2010 第 15卷 周晓平 朱双霞 高速龙门铣床五轴联动的结构设计 第 3期 91 泰克 CyTec 公司比较突出 国内就属桂林机床股份有限公 司做的比较专业且系统化 综合现有产品资料 拟定了 3种 五轴联动铣头的结构方案 方案 1 五轴联动铣头的 A C轴全采用 零传动0结构 直接由力矩电机 TorqerM otor 驱动 德国西泰克 CyTec 公 司产品属此类结构 见图 1 方案 2 五轴联动铣头采用纯机械结构 A 轴由双导程蜗 杆驱动 C轴也由双导程蜗杆驱动 方案 3 同方案 2一样 采用纯机械结构 A轴由双导程蜗 杆驱动 C轴由精密齿轮啮合驱动 图 1五轴联动铣头 对比分析上述方案设计 方案 1的优点 结构紧凑 体积 小 加工精度高 美中不足的是造价太过于昂贵 方案 2与方 案 1相比 加工精度偏低 且体积较大 外观造型比较笨重 方 案 3结构特点介于方案 1与方案 2之间 通过以上方案的对比分析 机床的五轴联动铣头采用方 案 3的结构设计 3 2结构的设计 通过对国内外机床市场的关注 收集了大量国内外相关 的资料 并着重借鉴桂林机床股份有限公司的摆动式 A C轴 联动铣头资料 最终结合现我国机床发展状况 确定了五轴联 动铣头产品设计的运动参数 1 A轴摆动角度为 1000与 C轴回转角度为 3700 连 续分度 2 A轴摆动速度为 0 10 r m in C轴回转速度为 0 20 r m in 根据五轴联动铣头结构设计方案及运动参数 机床设计 出的五轴联动铣头结构 具体结构见图 2 此结构特点 A 轴 与 C轴的运动结构都嵌在 Z轴滑枕内 且 A 轴运动结构嵌在 铣头套 并相对于 C轴运动结构独立 五轴联动铣头主要是 实现二轴联动动作 结合图 2 来说明五轴联动铣头的工作原 理 五轴联动铣头 C轴回转传动过程 C轴伺服电机y 小齿 轮 1y 大齿轮 1y 铣头套 五轴联动铣头 A 轴摆动传动过程 A轴伺服电机y 小齿轮 2y 齿轮同步带y 大齿轮 2y 双导程 蜗杆y 双导程蜗轮y 电主轴套y 内藏式电主轴 C轴回转运 动是由一对标准精密直齿圆柱齿轮传动来实现 其齿轮参数 小齿轮 1齿数 Z1 40 大齿轮 1齿数 Z2 134 模数 m 2mm 压力角 A 20b h a 1 顶隙系数 c 0 2 传动中心 距 a 174mm A 轴摆动运动是由一对双导程蜗杆传动实现 其具体参数计算略 图 2 五轴联动铣头结构图 1 Z轴滑枕 2 大齿轮 1 3 A轴伺服电机 4 大齿轮 2 5 电主轴套 6 C轴伺服电机 7 小齿轮 1 8 小齿轮 2 9 铣头套 10 齿轮同步带 11 蜗杆套 12 蜗杆座 13 双导程蜗杆 14 双导程蜗轮 15 内藏式电主轴 4 结构的合理性及优点 4 1可行性与合理性 哈默 C30U和 C40U 五轴立式加工中心机床采用数控龙 门移动铣床结构 龙门移动 工作台固定在龙门底座上 且配 置为二轴联动的旋转工作台 X 轴采用双丝杠驱动加线性滚 珠导轨 Y轴采用双线性滚珠导轨安装呈垂直分布状态 Z轴 采用大规格线性滚珠导轨 由此可见 X Y轴的设置是可行且 合理的 大连机床厂的 BK50龙门式加工中心采用定梁式龙 门铣床结构 工作台在线性滚珠导轨上作 X 向运动 Z轴滑枕 上配置五轴联动铣头 导轨配置方面与哈默 C30U 和 C40U 五 轴立式加工中心机床一样 由此可见 采用 Z轴滑枕上配置五 轴联动铣头是有实践证明过的 通过这两种机床的取长补 短 设计出本机床的五轴联动机构是完全合理与可行的 4 2优点 五轴联动铣头一直是五轴联动龙门式数控机床的瓶颈 本文设计出高效实用的五轴联动铣头结构 它具有 A C轴功 能 其中 C轴采用精密齿轮传动结构 而 A 轴采用双导程蜗 杆传动形式 此传动结构具有轴向间隙补偿的功能 弥补了其 第 3期新 余 高 专 学 报 2010 第 15卷 92 它蜗杆传动形式因蜗杆啮合磨损造成的轴向间隙问题 5 结论 数控机床设计过程中 轴的联动设计是其核心的部分 不 仅对控制部分有较高的要求 机械部分也是非常重要的 它不 仅决定了其功能 更决定了其精度和加工范围 此论文对五 轴联动机械部分进行了详细的比较与设计 既符合经济效益 也同时满足精度要求 是一种比较适合于我国现阶段数控机 床发展的水平的设计思路 为数控机床轴的设计提供有普遍 意义的设计方案 为同样进行五轴联动设计的同行提供参考 随着机械加工技术的不断推进 以这种机械传动链结构 的五轴联动铣头会逐渐被以 零传动 0方面的五轴联动铣头 取代 但个人相信 在今后几十年中 机械传动链结构的五轴 联动数控机床 在数控加工领域仍扮演着重要的角色 推动我 国制造加工业的发展 参考文献 1 范宏才 盛伯浩 多轴联动机床 A C转轴镗铣头结构 J 制造技术与机床 2007 2 100 103 2 杜玉湘 五轴联动数控机床的结构和应用 J 机械制造 与研究 2008 6 3 黄炳誉 王成勇 秦哲 模具高速五轴加工机床的结构特 点及关键技术 J 机械工程师 2008 5 责任编校 任 华 Design of five axis cooperation structure of high speed plane m iller ZHOU X iao ping ZHU Shuang xia X inyu College X inyu 3380040 China Abstract Thispaper analyses and co mpares the structure of the present five axis cooperation ofmachine tooland designs five axis coop eration structure of high speed planem iller mainly five axis cooperationmiller head Precision gearmeshing and dual leadwor mwheel and wor m driving are used in the structure which guarantees compact structure and high precision K ey words five axis cooperation structure design five ax is cooperationm iller head dual leadwor mwheel andwor m 上接第 79页 jBPM process push principle LI U X in hua LIGang AdmissionO ffice ofH igh Education of Jiangx iProvince Nanchang 330006 China 2 F inancialDepart ment of JiangxiProvince Nanchang 330003 China Abstrac